民辦高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

摘要：在現(xiàn)代科學(xué)技迅猛術(shù)發(fā)展的今天，計(jì)算思維成了很多人都必須掌握的一種思維能力。如何在民辦高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)中更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？以上海杉達(dá)學(xué)院為例，構(gòu)建一門(mén)《計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程，以培養(yǎng)計(jì)算思維為主線，以問(wèn)題解決為切入點(diǎn)，引入流程圖的繪制，并通過(guò)可視化編程環(huán)境去實(shí)現(xiàn)，最后使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)成程序。

關(guān)鍵詞：非計(jì)算機(jī)專業(yè);計(jì)算思維;Python語(yǔ)言

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）04-0163-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：<E：＼2022知網(wǎng)文件＼4-5＼4＼8xs202104＼Image＼image1_7.png>

1 引言

計(jì)算思維的定義最早是由美國(guó)卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授提出。周教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。計(jì)算思維是很多人都必須具備的一種思維能力，如同“讀、寫(xiě)、算”能力一樣。

如今隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，特別是大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能以及新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的快速涌現(xiàn)，人們的生活方式、認(rèn)知結(jié)構(gòu)和思維特征也在不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變，計(jì)算思維的力量也被無(wú)限放大。計(jì)算思維成了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的一種根本技能。

學(xué)習(xí)計(jì)算思維，不僅有助于人們將生活中遇到的各類復(fù)雜問(wèn)題分解成更小、更易理解的小部分，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，提升組織能力，而且可以使學(xué)生具備利用計(jì)算機(jī)思維積極解決自身專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的能力，改變傳統(tǒng)的思維方式和工作方式，更利于學(xué)生掌握現(xiàn)代信息社會(huì)的處理方式。

計(jì)算思維作為人類求解問(wèn)題的有效工具，無(wú)時(shí)不在，無(wú)處不在。那么在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？ 下面以民辦高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算思維培養(yǎng)展開(kāi)研究。

2 研究現(xiàn)狀

龔沛曾、楊志強(qiáng)在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)》一文中提出大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)開(kāi)展計(jì)算思維教學(xué)，并不是顛覆原有的課程內(nèi)容，而是在原有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行提高和優(yōu)化。將原有課程本身無(wú)意識(shí)的計(jì)算思維教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的、積極的、有意識(shí)的計(jì)算思維教學(xué)。

何欽銘、陸漢權(quán)、馮博琴在《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)——《九校聯(lián)盟 （C9） 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀》一文中提出C9旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，并不意味著需要將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容“推倒重來(lái)”，而需要以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容為基礎(chǔ)，從計(jì)算思維能力培養(yǎng)的要求角度，重新組織和梳理教學(xué)內(nèi)容乃至課程體系，突出體現(xiàn)思維能力的培養(yǎng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)應(yīng)該面向各專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用需求，培養(yǎng)學(xué)生基本的計(jì)算思維能力。

丁海燕在《計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中計(jì)算思維的培養(yǎng)》一文中提出程序設(shè)計(jì)課程通常采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，強(qiáng)調(diào)將計(jì)算思維融入程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

嵩天、黃天羽、禮欣在《Python語(yǔ)言：程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的理想選擇》一文中指出計(jì)算思維是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的科學(xué)思維，Python語(yǔ)言是最接近自然語(yǔ)言的通用編程語(yǔ)言，面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生開(kāi)展Python語(yǔ)言教學(xué)是程序設(shè)計(jì)課程發(fā)展的重要?dú)v史契機(jī)。

筆者作為民辦高校的一名計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)老師，認(rèn)為對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)開(kāi)展程序設(shè)計(jì)課程，培養(yǎng)計(jì)算思維，可以將RAPTOR可視化編程環(huán)境和Python語(yǔ)言結(jié)合作為培養(yǎng)計(jì)算思維能力的語(yǔ)言。

RAPTOR是基于流程圖的可視化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，在流程圖的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，引入與程序、算法表達(dá)有關(guān)的基礎(chǔ)概念，使學(xué)生形成分析問(wèn)題的計(jì)算思維。RAPTOR能夠?yàn)槌绦蚝退惴ㄔO(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。RAPTOR允許用戶用連接基本流程圖符號(hào)來(lái)創(chuàng)建算法，并可以直接調(diào)試和運(yùn)行算法，產(chǎn)生結(jié)果。

Python是一種面向?qū)ο?、解釋型的?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。其代碼簡(jiǎn)潔易懂，又具有豐富和強(qiáng)大的類庫(kù)，作為編程入門(mén)的語(yǔ)言是最好不過(guò)了。

3 基本思路

程序設(shè)計(jì)課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科體系結(jié)構(gòu)中的核心課程，不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，也是諸多院校中非計(jì)算機(jī)專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程。程序設(shè)計(jì)課程的主要目標(biāo)是使學(xué)生掌握使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法的方法和技能，培養(yǎng)它們的邏輯思維能力，形成計(jì)算思維。在將來(lái)或者任何時(shí)候可以用這種計(jì)算思維能力去解決身邊的一些問(wèn)題。

大學(xué)第一門(mén)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是計(jì)算思維培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵。基于此，對(duì)于新生入校第一門(mén)課程，我們初步構(gòu)建了以計(jì)算思維和程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的課程內(nèi)容，并命名為“計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”。

本課程僅針對(duì)上海杉達(dá)學(xué)院的非計(jì)算機(jī)專業(yè)部分學(xué)生開(kāi)展。上海杉達(dá)學(xué)院是一所民辦的“應(yīng)用型”本科院校，學(xué)生以文科居多，理工科基礎(chǔ)較薄弱，多數(shù)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)僅具有基礎(chǔ)應(yīng)用的能力。因此，課程建設(shè)的宗旨是面向編程“零基礎(chǔ)”的學(xué)生，旨在引導(dǎo)學(xué)生具有計(jì)算思維能力。課程的設(shè)計(jì)主要分為三部分：計(jì)算思維與算法設(shè)計(jì)、可視化編程方法和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

首先，在計(jì)算思維與算法設(shè)計(jì)部分，講解計(jì)算機(jī)中問(wèn)題求解的方法，闡明計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程一般經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：分析問(wèn)題à設(shè)計(jì)算法à編寫(xiě)程序à調(diào)試運(yùn)行，即要把分析問(wèn)題得到的步驟和方法描述為算法，然后再通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的程序，再進(jìn)行程序的不斷調(diào)試與運(yùn)行，從而得到問(wèn)題的求解。因此，設(shè)計(jì)算法是很重要的步驟，它體現(xiàn)的是計(jì)算思維的理念。通過(guò)引入四種經(jīng)典算法，枚舉法、遞推法、分治法和遞歸法，培養(yǎng)學(xué)生具有初步的分析和解決問(wèn)題的思維，并學(xué)會(huì)繪制程序流程圖來(lái)表達(dá)算法。

然后，在可視化編程方法部分，使用可視化流程圖環(huán)境RAPTOR實(shí)現(xiàn)上述算法的調(diào)試與運(yùn)行，讓學(xué)生有興趣，又覺(jué)得不難，還可以使學(xué)生更深層次的了解結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，初步形成計(jì)算思維。

最后，在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分，使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Python去編寫(xiě)程序，編寫(xiě)的時(shí)候可以參照RAPTOR的流程圖進(jìn)行思維，這樣會(huì)降低編寫(xiě)程序的難度。通過(guò)編寫(xiě)程序，學(xué)生抽象的思維得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，引入有趣味、循序漸進(jìn)的案例，讓學(xué)生體驗(yàn)編程，激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域科學(xué)探索的興趣，使學(xué)生初步具備編程能力，達(dá)到“人人懂編程”的目的。

綜合上所述，課程建設(shè)的基本思路是以培養(yǎng)計(jì)算思維為主線，以問(wèn)題解決為切入點(diǎn)，引入流程圖的繪制，并通過(guò)可視化編程環(huán)境去實(shí)現(xiàn)，最后使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)成程序。

下面以自助購(gòu)買(mǎi)門(mén)票為例說(shuō)明。假設(shè)某水族館門(mén)票規(guī)定：成人（18歲以上）或身高超過(guò)1.5米的兒童需購(gòu)買(mǎi)全票;身高在1.2米和1.5米之間的兒童需購(gòu)買(mǎi)半票;身高低于1.2米的兒童免票。對(duì)于這樣一個(gè)問(wèn)題，首先在計(jì)算思維的講解部分，分析能夠解決該問(wèn)題的算法，并繪制出相應(yīng)的流程圖，如圖1所示;接著通過(guò)可視化編程環(huán)境RAPTOR去實(shí)現(xiàn)流程圖，并運(yùn)行和調(diào)試產(chǎn)生問(wèn)題的解，如圖2所示;最后通過(guò)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Python編寫(xiě)出相應(yīng)的代碼，并運(yùn)行和調(diào)試，如圖3所示。

4 計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程建設(shè)

《計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程是面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)的大一學(xué)生，在第一學(xué)期開(kāi)展。在學(xué)校分層教學(xué)的引領(lǐng)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力較強(qiáng)，Office軟件使用較熟練，且對(duì)計(jì)算機(jī)編程有濃厚興趣的學(xué)生可以通過(guò)選修報(bào)名的方式參加該課程，學(xué)習(xí)計(jì)算思維和編程的技能。后續(xù)對(duì)程序設(shè)計(jì)的高級(jí)應(yīng)用有需要的專業(yè)學(xué)生，將在本校課程體系的第二、第三層次開(kāi)展《Python高級(jí)編程》。

4.1課程定位

本課程旨在學(xué)習(xí)和培養(yǎng)計(jì)算思維能力，使學(xué)生形成利用計(jì)算思維積極解決自身專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的能力。同時(shí)，通過(guò)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以將抽象的計(jì)算思維與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)計(jì)算思維能力，增強(qiáng)動(dòng)手能力。

4.2課程教學(xué)內(nèi)容組織

本課程的教學(xué)內(nèi)容從以下四個(gè)方面展開(kāi)：

1） 信息技術(shù)概述：信息與信息技術(shù)的概念;信息技術(shù)的三個(gè)發(fā)展階段，即古代信息技術(shù)、近代信息技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù);新一代信息技術(shù)的發(fā)展，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字媒體和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等;計(jì)算機(jī)中信息的表示與存儲(chǔ);在信息技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)還要注意信息安全問(wèn)題，可以依靠信息安全技術(shù)從一定程度上來(lái)保護(hù)個(gè)人的信息安全。

2） 計(jì)算思維與算法設(shè)計(jì)：什么是計(jì)算思維，主要研究?jī)?nèi)容和特征是什么，對(duì)其他學(xué)科的影響;計(jì)算機(jī)的三大核心思維，即“0和1”的思維、“程序”的思維和“遞歸”思維;算法的概念與特征，算法的表示，程序流程圖各部分表示的功能;結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的三種基本結(jié)構(gòu)（順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)），用流程圖如何表示？能夠讀懂和繪制流程圖;四種經(jīng)典算法的設(shè)計(jì)分析（枚舉法、遞推法、分治法和遞歸法）。

3） 可視化編程方法：可視化編程環(huán)境RAPTOR的功能介紹和6種符號(hào)（賦值、調(diào) 用、輸入、輸出、選擇和循環(huán)）的使用;RAPTOR中的各種運(yùn)算符與表達(dá)式、常量與變量、數(shù)組（一維數(shù)組和二維數(shù)組）的運(yùn)用、函數(shù)和函數(shù)調(diào)用、子圖與子程序的運(yùn)用。使用可視化編程環(huán)境RAPTOR求解問(wèn)題時(shí)，只需要連接基本流程圖符號(hào)來(lái)創(chuàng)建算法，還可以進(jìn)行直接調(diào)試和運(yùn)行，得到問(wèn)題的解。

4） 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：Python語(yǔ)言的下載與安裝;Python程序的運(yùn)行;Python程序的基本語(yǔ)句（輸入函數(shù)、輸出語(yǔ)句、賦值語(yǔ)句、變量以及運(yùn)算符與表達(dá)式等）;Python程序的基本數(shù)據(jù)類型（整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、復(fù)數(shù)和字符串）、和組合數(shù)據(jù)類型（列表、元組、字典和集合）;程序的三種基本結(jié)構(gòu)（順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)）;函數(shù)的運(yùn)用;文件操作等。

4.3教學(xué)方法

課程建設(shè)采用“線上+線下”的教學(xué)模式。線上平臺(tái)為智慧樹(shù)平臺(tái)，建立課程并上傳課程的教學(xué)視頻和資源。學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)App進(jìn)行學(xué)習(xí)。在教學(xué)中應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)等多種教學(xué)方法手段，相互結(jié)合，以達(dá)到較好的教學(xué)效果。

4.4課程考核

課程的考核通過(guò)過(guò)程性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)兩方面進(jìn)行。過(guò)程性評(píng)價(jià)主要側(cè)重于學(xué)生的平時(shí)作業(yè)和階段性測(cè)驗(yàn);占總評(píng)成績(jī)的40%;形成性評(píng)價(jià)主要是課程整體結(jié)束后的考試，占總評(píng)成績(jī)的60%。

5 結(jié)論

本課程建設(shè)共進(jìn)行了兩輪實(shí)踐，都是在分層教學(xué)的前提下進(jìn)行開(kāi)展的，只針對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的小部分學(xué)生開(kāi)設(shè)。在課程的訪談中發(fā)現(xiàn)，有部分學(xué)生認(rèn)為課程還是有一定難度的;而也有部分學(xué)生表示學(xué)習(xí)起來(lái)非常有興趣，希望可以開(kāi)展后續(xù)的Python高級(jí)編程。這次教學(xué)改革的嘗試有一定收獲，但就如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，取得更好的成績(jī)，還要在不斷的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行總結(jié)和反思，有待后續(xù)深入研究。

在當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的背景之下，不論任何專業(yè)的學(xué)生，都應(yīng)具有計(jì)算思維。未來(lái)的人才是以計(jì)算思維為核心，與各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)相結(jié)合的復(fù)合型人才。因此，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程要重視和加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

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收稿日期：2021-06-10

基金項(xiàng)目：本文系上海市教委2019年上海市高校大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革項(xiàng)目“計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程建設(shè)的研究成果

作者簡(jiǎn)介：張文曉（1984—），女，浙江省嘉善縣人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)。